Unidad I, Generalidades

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Unidad 1 : Generalidades
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Índice
Índice
1. SISTEMA ELÉCTRICO DE POTENCIA........................................................................... 1
2. CARACTERÍSTICAS QUE INFLUYEN en LA GENERACIÓN Y TRANSPORTE DE LA ENERGÍA
ELÉCTRICA ..................................................................................................................... 2
3. TÉRMINOS DE USO FRECUENTE ................................................................................ 3
4. GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD ............................................................................... 4
4.1. Central hidroeléctrica........................................................................................ 4
4.2. Central térmica no nuclear ................................................................................ 6
4.3. Central nuclear................................................................................................. 7
4.4. Central Solar .................................................................................................... 8
4.5. Central eólica ................................................................................................... 9
5. CLASIFICACIÓN DE LAS CENTRALES ELÉCTRICAS ...................................................... 9
5.1. Centrales de base............................................................................................10
5.2. Centrales de punta. .........................................................................................10
5.3. Centrales de reserva........................................................................................10
5.4. Centrales de socorro........................................................................................10
6. gráficos de cargas ....................................................................................................11
7. CENTRALES HIDROELÉCTRICAS ...............................................................................12
7.1. CLASIFICACIÓN DE LAS CENTRALES HIDROELÉCTRICAS ..................................12
7.1.1. Centrales de agua fluente......................................................................13
7.1.2. Centrales de agua embalsada ................................................................14
7.1.3. Centrales de alta presión.......................................................................17
7.1.4. Centrales de media presión ...................................................................18
7.1.5. Centrales de baja presión ......................................................................18
7.2. Componentes de las centrales hidroeléctricas ....................................................18
7.3. CONCEPTOS HIDRÁULICOS .............................................................................19
7.3.1. Nivel y cota ..........................................................................................19
7.3.2. Caudal y aforo ......................................................................................20
7.3.3. Salto de agua .......................................................................................21
7.3.4. Salto bruto ..........................................................................................23
7.3.5. Salto útil ..............................................................................................23
7.3.6. EMBALSE .............................................................................................23
7.3.7. PRESAS................................................................................................25
8. SISTEMA DE TRANSMISIÓN .....................................................................................26
9. SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN ....................................................................................27
10. OBJETIVO DEL SISTEMA DE POTENCIA.....................................................................29
11. PRUEBA DE AUTOCOMPROBACIÓN ...........................................................................29
12. RESPUESTAS A LA PRUEBA DE AUTOCOMPROBACIÓN ..............................................29
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Sistemas Eléctricos de Potencia
UNIDAD 1
"GENERALIDADES"
INTRODUCCIÓN
Los sistemas eléctricos de potencia se encargan de suministrar energía eléctrica, en el
momento oportuno, a los niveles de tensión y frecuencia requeridos. Ellos producen,
transportan y distribuyen dicha energía a los usuarios.
OBJETIVO
El objetivo de esta unidad es la de reconocer las características generales que gobiernan a
un sistema eléctrico de potencia, así como revisar algunos conceptos básicos que
trataremos durante el curso.
CONTENIDO
1. SISTEMA ELÉCTRICO DE POTENCIA.
Los sistemas eléctricos de potencia, están constituidos por:
•
•
•
•
La fuente de electricidad (centrales de generación eléctrica).
Las líneas de transporte (líneas de transmisión, subtransmisión y distribución).
Los centros de transformación (subestaciones de transformación) .
Los consumidores (cargas).
La generación en nuestro país, en su mayor parte, es de origen hidráulico y, en menor
porcentaje, de origen térmico. Las centrales hidráulicas ,se encuentran alejadas de los
grandes centros de consumo por lo que se requiere de líneas de transporte en alta tensión
(A.T.) a fin de llevar la energía eléctrica desde las centrales a los centros de consumo. La
razón de elevar el nivel de tensión es la de reducir las pérdidas por efecto Joule y reducir las
caídas de tensión. El nivel de tensión se eleva en las subestaciones elevadoras que se
encuentran cercanas a la generación. Una vez que la energía se encuentre en los grandes
centros de consumo, se distribuye a los usuarios a niveles de tensión más manejable,
evidentemente que para reducir el nivel de tensión habrá que emplear subestaciones
reductoras.
Línea de
transmisión
Presa
d l
subestación
generador
Fig. 1.3 Partes de un sistema eléctrico de potencia
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2. CARACTERÍSTICAS QUE INFLUYEN EN LA GENERACIÓN Y TRANSPORTE DE LA
ENERGÍA ELÉCTRICA
La generación y el transporte de la energía eléctrica tiene básicamente tres características
fundamentales, ellas son:
•
La electricidad a diferencia del gas y del agua, no puede almacenarse y el productor de
la energía eléctrica tiene poco control sobre el consumo en cualquier instante.
Fig. 1.2 La electricidad no se almacena en grandes volúmenes.
Uno de los objetivos de la operación de un sistema de potencia es hacer que la potencia
generada en las centrales sea igual a la potencia que demandan los usuarios a todo
instante, manteniendo los niveles de tensión y corriente.
Para ello se parte de un estudio de carga diaria como se muestra en la figura 1.3 donde la
carga se puede dividir en dos componentes, una carga constante llamada carga base y otras
cargas llamadas picos, que dependen de la hora.
•
La carga se incrementa en forma continua por lo que el sistema de potencia debe
adicionar centros de generación con la finalidad de satisfacer el crecimiento de la
demanda. Asimismo las líneas de transporte deben de proyectarse de tal manera que
estén preparados a modificaciones y/o ampliaciones con el correr de los años.
Fig. 1.3 Diagrama de carga
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•
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Para generar electricidad se requiere de combustible, como el carbón, petróleo, gas; o
de energía potencial de ríos; todos ellos generalmente alejados de los centros de
consumo de electricidad, por lo que uno de los problemas consiste en localizar la central
de generación y la distancia de transporte que influye directamente en el costo.
Un aspecto adicional es la influencia sobre el paisaje y la ecología.
Fig. 1.4 Fuentes de energía: potencial, petróleo y carbón.
3. TÉRMINOS DE USO FRECUENTE
A continuación se definen algunos términos empleados en los sistemas de potencia:
•
•
Sistema.- se utiliza para describir la red eléctrica completa, incluyendo la generación,
transmisión y cargas.
Carga.- esta expresión puede utilizarse para describir:
•
•
•
Un consumidor o conjunto de consumidores de energía eléctrica, por ejemplo
motores eléctricos.
Un circuito alimentador determinado que distribuye energía eléctrica.
La potencia o corriente que pasa a través de una línea o máquina.
•
Barra de distribución.- conexión eléctrica de impedancia cero que une varios aparatos
•
Conexión a tierra.- la conexión de un conductor o armazón de un dispositivo al
•
Avería.- consiste en un mal funcionamiento de la red de potencia, normalmente debido
a un defecto del aislamiento.
•
Seguridad en el suministro.- uno de los objetivos primordiales de la operación de un
o elementos como líneas, cargas, etc. Generalmente es de cobre o de aluminio.
sistema de puesta a tierra. El objetivo es tener una resistencia entre el aparato y el
sistema de tierra por debajo de los límites establecidos por la norma. El sistema de
tierra consiste en enterrar grandes conjuntos de varillas de cobre en un terreno tratado
y emplear conectores de sección grande.
sistema eléctrico de potencia es la de asegurar la continuidad del suministro a los
consumidores y que esté servicio este disponible permanentemente. Es por ello que los
sistemas de potencia son mallados, para garantizar la continuidad del servicio por varios
caminos.
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4. GENERACIÓN DE ELECTRICIDAD
Una central eléctrica es una instalación capaz de convertir la energía mecánica, obtenida
de otras fuentes de energía primaria, en energía eléctrica. En su mayor parte la energía
mecánica procede de:
•
•
La transformación de la energía potencial del agua almacenada en un embalse.
De la energía térmica suministrada al agua mediante la combustión del gas natural,
petróleo o del carbón, o a través de la energía de fisión del uranio (nuclear).
Otras fuentes que han obtenido una utilización limitada hasta la fecha son las energías
geotérmica y mareomotriz. También se han utilizado para generación de pequeñas
cantidades de energía eléctrica la energía eólica y la energía solar.
4.1. CENTRAL HIDROELÉCTRICA
Es aquella en la que la energía potencial del agua almacenada en un embalse se
transforma en energía cinética necesaria para mover la turbina (motor primo) y esto
al generador, transformando la energía mecánica en energía en energía eléctrica.Las
centrales hidroeléctricas se construyen en los causes de los ríos, creando un embalse
para retener el agua. Para ello se construye una presa, apoyado generalmente en
alguna montaña. La masa de agua embalsada se conduce a través de una tubería
hacia los álabes de la turbina, la cual está acoplada al generador. Así el agua
transforma su energía potencial en energía cinética, que hace mover los álabes de la
turbina.
Fig. 1.5 Vista Transversal de una Central Hidráulica Francis de 715 MW.
1. Fundación de la represa.
2. Acceso al pozo de la turbina
3. Servicio auxiliar de la unidad - sistema de agua pura.
4. Sistema de excitación,
5. Transformadores elevadores de tensión.
6. Piso de los generadores y salas de control local.
7. Sistema de ventilación.
8. Galería de cabos.
9. GIS-SF6 (Interruptor con aislamiento de gas: hexafluoruro de azufre)
10. Tableros principales del servicio auxiliar AC y sala de los generadores diesel.
11. Servicio auxiliar de la represa.
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Una central no almacena energía, sino que la producción sigue a la demanda dada por
los usuarios; como esta demanda es variable a lo largo del día, y con la época del
año, las centrales eléctricas pueden funcionar con una producción variable.
Sin embargo, la eficacia aumenta si la producción es constante; para ello existe un
camino para almacenar la energía producida en horas de bajo consumo, y usarla en
momentos de fuerte demanda, mediante las centrales hidráulicas de bombeo.
Estas centrales tienen dos embalses situados a cotas diferentes. El agua almacenada
en el embalse superior produce electricidad al caer sobre la turbina, cubriendo las
horas de fuerte demanda.
El agua llega posteriormente al embalse inferior, momento en que se aprovecha para
bombear el agua desde el embalse inferior al superior, usando la turbina como motor,
si esta fuera reversible, o el alternador.
Fig 1.6 Central hidráulica de bombeo
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Embalse superior
Presa.
Galería de conducción.
Central eléctrica.
Turbinas.
Generador y transformador elevador.
Patio de llaves.
Salida de línea.
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4.2. CENTRAL TÉRMICA NO NUCLEAR
Es una instalación en donde la energía mecánica que se necesita para mover el rotor
del generador y por tanto obtener la energía eléctrica, se obtiene a partir del vapor
formado al calentar el agua en una caldera.
El vapor generado tiene una gran presión al salir de las toberas (corona fija) y llega
a las turbinas, para que en su expansión (energía de presión), sea capaz de mover
los álabes (rotor o rodete ) de las mismas, transformándose en energía mecánica
entregando el eje de la turbina esta energía al generador eléctrico.
Este tipo de centrales térmicas son: de carbón, petróleo o de gas natural.
El Gas de Camisea, según los estudios de exploración realizados por la SHELL,
tiene gran cantidad de metano y sin contenido de azufre, lo que favorece la
operación de las centrales térmicas, al tener mayor poder calorífico para la
combustión, con un aumento del
salto térmico disponible, mayor eficiencia
térmica y menor contaminación del medio ambiente.
En dichas centrales la energía de la combustión del carbón, petróleo o gas natural se
emplea para transformar el agua de líquido en vapor.
Estas centrales termoeléctricas pueden ser:
•
•
•
•
Centrales
Centrales
Centrales
Centrales
térmicas
térmicas
térmicas
térmicas
a
de
de
de
vapor ( turbina de vapor)
gas ( turbina de gas)
ciclo combinado
cogeneración
Fig 1.7 Central térmica
1. Combustible, bien sea petróleo, gas o carbón, llega a la central térmica desde los
almacenamientos situados en los parques adyacentes a la central. En el caso del
carbón, éste se conduce mediante cintas transportadoras al molino para triturado. El
carbón una vez pulverizado, se mezcla con aire caliente y se inyecta a presión en la
caldera para su combustión.
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2. La Caldera genera el vapor al ser transformada la energía química del
combustible y transformada en energía térmica de flujo, que accionará los
cuerpos de las turbinas. Después de accionar éstas, el vapor se convierte en líquido
en el condensador. El agua obtenida por la condensación de vapor de las torres se
somete a diversas etapas de precalentamiento, desgasificación ( separa los gases
no condensable como el O2 y el CO2 ) y se inyecta de nuevo en la caldera en las
condiciones de presión y temperatura más adecuadas para obtener el máximo
rendimiento del ciclo. El tipo de calderas usadas en las centrales térmicas son
las acuotubulares, por ser de mayor capacidad ( flujo de vapor) y alta presión
de trabajo.
3. Calentadores, el agua que circula en un circuito constante se calienta
sucesivamente entre el calentador y en el sobrecalentador, antes de ser enviada a la
turbina.
4. Chimenea, con el objeto de minimizar los efectos de la combustión del carbón
sobre el medio ambiente, las centrales térmicas poseen una chimenea de gran altura
(las hay hasta de 300 metros), que dispersan los contaminantes en las capas altas
de la atmósfera. Buena parte de dichos contaminantes son retenidos en el interior de
la propia central mediante los llamados precipitadores.También se controla el
exceso de aire, los porcentajes de oxígeno, de CO2, CO y Nox en ppm con
sistemas electrónicos para proteger el medio ambiente,
5. Torre de enfriamiento, estas tienen por misión trasladar a la atmósfera el calor
extraído del condensador, cuando el sistema de agua de circulación que refrigera el
condensador se opera a circuito cerrado. El calor extraído del condensador puede
descargarse también directamente al mar o al río.
6. Turbinas, el rotor de la turbina se mueve solidariamente al rotor del generador,
después que el vapor haya accionado los álabes de las turbinas de alta presión,
media presión y baja presión.
7. Alternador/transformador.
8. Salida de línea.
4.3. CENTRAL NUCLEAR
Es una central térmica en la que actúa
como caldera un reactor nuclear. La
energía térmica se origina por las
reacciones de fisión en el combustible
nuclear formado por un compuesto de
uranio. El combustible nuclear se
encuentra en el interior de una vasija
herméticamente cerrada. El calor generado
en el combustible del reactor y transmitido
después a un refrigerante se emplea para
producir vapor de agua, que va hacia la
turbina, transformándose la energía en
energía eléctrica (en el alternador).
Fig. 1.8 central nuclear.
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4.4. CENTRAL SOLAR
Una central solar, es aquella en la que se aprovecha la radiación solar para producir
energía eléctrica. Este proceso puede realizarse mediante la utilización de un proceso
fototérmico, o de un proceso fotovoltáico. En las centrales solares que emplean el
proceso fototérmico, el calor de la radiación solar calienta un fluido y produce vapor
que se dirige hacia la turbina produciendo luego energía eléctrica. El proceso de
captación y concentración de la radiación solar se efectúa en unos dispositivos
llamados heliostatos, que actúan automáticamente para seguir la variación de la
orientación del sol respecto a la tierra.
Existen diversos tipos de centrales solares de tipo térmico, pero las más comunes son
las del tipo torre, con un número grande de heliostatos. Para una central tipo de
10MW, la superficie ocupada por los heliostatos es de unas 20 hectáreas (Ha).
Fig. 1.9 Central solar por proceso fotométrico.
Las centrales solares que emplean el proceso
fotovoltáico, hacen incidir la radiación solar sobre
una superficie de un cristal semiconductor
llamada célula fotoeléctrica y producir en forma
directa una corriente eléctrica por efecto
fotovoltáico. Estos tipos de centrales se están
instalando en países donde el transporte de la
energía eléctrica se debería realizar desde mucha
distancia, y hasta ahora su empleo es
básicamente para iluminación y algunas
aplicaciones domésticas.
Fig. 1.10 Central solar por
el proceso fotovoltáico.
En la figura 1.10 se pueden apreciar las siguientes partes:
•
•
•
•
•
•
Módulo con celdas solares.
Estructura soporte.
Caja de distribución para el cableado del generador.
Inversor.
Cables y accesorios.
Medidor de la alimentación a la red, acometida, medidor del consumo.
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4.5. CENTRAL EÓLICA
Una central eólica, es una instalación en donde la energía cinética del aire se puede
transformar en energía mecánica de rotación.
Para ello se instala una torre en cuya parte superior existe un rotor con múltiples
palas, orientadas en la dirección del viento. Las palas o hélices giran alrededor de un
eje horizontal que actúa sobre un generador de electricidad.
A pesar de que un 1% aproximadamente de la energía solar que recibe la tierra se
transforma en movimiento atmosférico, esta energía no se distribuye uniformemente,
lo que limita su aprovechamiento.
Existen además limitaciones tecnológicas para alcanzar potencias superiores a un
megavatio, lo cual hace que su utilidad esté muy restringida, en primer lugar, por la
zona de vientos fuerte, y en segundo lugar por razón de su potencia unitaria.
Fig. 1.11 Configuración de turbinas de viento.
5. CLASIFICACIÓN DE LAS CENTRALES ELÉCTRICAS
Según el servicio que presten las centrales eléctricas, las podemos clasificar, en:
•
•
•
•
Centrales
Centrales
Centrales
Centrales
de
de
de
de
base.
punta.
reserva.
socorro.
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5.1. CENTRALES DE BASE
También reciben la denominación de centrales principales. Son las destinadas a
suministrar la mayor parte de la energía eléctrica permanente, es decir, sin
interrupciones de funcionamiento de la instalación, estando en marcha durante largos
periodos de tiempo.
Estas centrales preferentemente nucleares, térmicas e hidráulicas, son de gran
potencia. Dentro del tipo de centrales térmicas, un ejemplo característico de
centrales de base son las instaladas al pie de mina o bocamina, las cuales se
mantienen en funcionamiento ininterrumpido haciendo las paradas imprescindibles
para operaciones de mantenimiento.
5.2. CENTRALES DE PUNTA.
Están destinadas exclusivamente, para cubrir la demanda de energía eléctrica en las
horas de mayor consumo, horas punta. Su funcionamiento se puede considerar
periódico, en breves espacios de tiempo, o sea, casi todos los días durante
determinadas horas.
Han de ser instalaciones de respuesta muy rápida, tanto en lo referente a la puesta en
marcha como a la regulación de sus elementos.
Por tales razones técnicas, suelen ser centrales de tipo hidráulico o térmicas con
turbinas de gas, que sirven de apoyo a las calificadas como de base.
5.3. CENTRALES DE RESERVA
Su intervención dentro del sistema se planifica según los conceptos de reserva
económica y reserva técnica.
El primero tiene por objeto disponer de instalaciones que puedan sustituir, total o
parcialmente a las centrales de base cuando para éstas exista escasez o carestía de
las materias primas: agua, carbón, fuel-oil, etc.
Se entiende por reserva técnica, la necesidad de tener programadas determinadas
centrales, primordialmente hidráulicas o con turbinas de gas, dadas sus características
de rapidez de puesta en servicio, para suplir a las centrales de gran producción
afectadas de fallos o averías en sus equipos.
5.4. CENTRALES DE SOCORRO
Tienen, prácticamente, igual cometido que las anteriores, pero en este caso, se trata
de pequeñas centrales autónomas que pueden ser transportadas fácilmente en
camiones, vagones de ferrocarril o barcos diseñados para tal cometido a los lugares
donde se requiere su asistencia.
Generalmente son accionados por motores Diesel.
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6. GRÁFICOS DE CARGAS
Generalmente se emplean los términos de energía eléctrica suministrada, solicitada,
demandada, consumida, etc, sinónimos, todos ellos, por supuesto, del trabajo producido en
una central eléctrica. En adelante, hemos de matizar los conceptos, para no caer en
“errores de peso”.Mantenemos el criterio de que, en una centra eléctrica, se produce trabajo
o energía eléctrica. Ahora bien, el concepto de energía está íntimamente relacionado con
los factores tiempo y potencia. De este planteamiento deducimos que, la potencia es la
energía proporcionada durante la unidad de tiempo (un segundo)
Pues bien, interpretaremos por potencia o carga de una central, la potencia que ésta
suministra o le es solicitada en un instante dado. Por energía producida, designamos al
cúmulo de potencia aportada al sistema de consumo durante un determinado número de
unidades de tiempo. Así podremos calcular la energía suministrada por una instalación en
una hora, un día, un mes, un año, etc.
Si delimitamos una zona de utilización de la energía eléctrica, como puede ser un sector
industrial, una ciudad, una provincia, una nación, y hacemos un análisis del consumo de
energía para un período definido de tiempo, por ejemplo, un día observaremos que no
permanece constante, estando supeditado a fuertes oscilaciones. Tal consumo dependerá,
en cada instante, del número y potencia de los receptores conectados a la red, llegando a
influir en ello hasta las sucesivas estaciones del año.
En un sistema de coordenadas (fig. 1.12), representamos en la abscisa los intervalos de
tiempo en horas por ejemplo, y en ordenadas las sucesivas potencias o cargas solicitadas a
una instalación. Obtenemos un gráfico de cargas, en el que, la superficie debajo de la
curva, indica la totalidad de la energía suministrada en el período de tiempo marcado.En el
gráfico, observamos una potencia máxima y otra mínima, así como un valor de
potencia media. Esta última, se calcula dividiendo el valor total de la energía suministrada
por el tiempo en que se efectuó tal suministro. ara una instalación concreta, podemos
diseñar gráficos de cargas diarios, mensuales, anuales, etc.
Fig. 1.12. Diagrama de cargas.
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¿Qué consecuencias deduciremos si partimos de un gráfico que registra el consumo de una
zona abastecida por varias centrales eléctricas? Consideremos la curva de carga diaria
solicitada por dicha zona (fig. 1.13).
Fig. 1.13. Curva de carga diaria
Aunque los estudios de tipo económico, basados en costos de producción, mantenimiento,
materias primas, etc, son fundamentales para prever los tiempos de funcionamiento de las
instalaciones, y así conseguir rendimientos idóneos de las mismas, nosotros no vamos a
tratar dicho asunto por entender que está fuera de nuestros objetivos.
Nos centraremos en la participación de las centrales, según la clasificación establecida, a la
vista de los aspectos de la curva representada. Se observa un espacio, limitado por la recta
A, en el que la carga de base Pb se mantiene prácticamente constante durante largos
intervalos de tiempo. Las centrales de base, son las indicadas para hacer tal suministro.
Durante las horas propias del funcionamiento de las industrias, comercio, etc, se origina una
fuerte demanda de potencia, dando lugar a la carga de punta Pp, la cual es proporcionada
por la centrales de punta.
7. CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
En este punto trataremos más en detalle las centrales hidroeléctricas en virtud a que en el
país tenemos el mayor grado de centrales hidroeléctricas. Para llegar a conocer dichas
instalaciones, y saber cómo son, dentro del nivel que nos permite esta unidad, tenemos que
recurrir al estudio de los distintos aspectos que las rodean y los componentes que las
forman. Previamente, estableceremos una clasificación de este tipo de centrales, que nos
ayudará a entender adecuadamente el presente tema.
7.1. CLASIFICACIÓN DE LAS CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
Son varios los argumentos que aportan datos para realizar una clasificación,
suficientemente explícita, de las mismas, en función de las características técnicas,
peculiaridades del asentamiento y condiciones de funcionamiento.
En primer lugar, hay que distinguir las que utilizan el agua según discurre
normalmente por el cauce de un río, y aquellas otras a las que ésta llega,
convenientemente regulada, desde un lago o pantano.
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Se denominan respectivamente:
•
•
Centrales de agua fluente.
Centrales de agua embalsada.
A su vez, y dentro de las centrales de agua embalsada, tenemos las:
•
•
Centrales de regulación.
Centrales de bombeo.
Asimismo, y en relación con la altura del salto de agua existente, o desnivel, están
las:
•
•
•
Centrales de alta presión.
Centrales de media presión.
Centrales de baja presión.
A continuación se exponen unas breves explicaciones sobre cada una de las
denominaciones indicadas, teniendo en cuenta que dichas denominaciones no
corresponden a instalaciones únicas perfectamente aisladas, sino que, en una central,
pueden concurrir varias de las cualidades propias de cada uno de los apartados
reseñados en la presente clasificación.
7.1.1.
CENTRALES DE AGUA FLUENTE
Llamadas, también, de agua corriente, o de agua fluyente.
Se construyen en los lugares en que, la energía hidráulica, ha de utilizarse
“en instante” que se dispone de ella, para accionar las turbinas hidráulicas
(fig. 1.14).
Fig. 1.14 Central agua fluente
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No cuentan, prácticamente, con reserva de agua, oscilando el caudal
suministrado según las estaciones del año.
En la temporada de precipitaciones abundantes, conocida como de aguas
altas, desarrollan su potencia máxima, dejando pasar al agua excedente;
por el contrario, durante el tiempo seco o de aguas bajas, la potencia
producida disminuye ostensiblemente en función del caudal, llegando a ser
casi nula, en algunos ríos, en época de estiaje.
Estas centrales, suelen construirse formando presa sobre el cauce de los
ríos, para mantener un desnivel constante en la corriente de agua.
7.1.2.
CENTRALES DE AGUA EMBALSADA
El agua de alimentación, como ya adelantábamos al establecer la
clasificación, proviene de grandes lagos, o de pantanos artificiales, conocidos
como embalses, conseguidos mediante la construcción de presas. De todo
esto trataremos oportunamente.
Un embalse es capaz de almacenar los caudales de los ríos afluentes,
llegando, en ocasiones, a elevados porcentajes de captación de agua. El
agua embalsada se utiliza, según demanda, a través de conductos que la
encauzan hacia las turbinas. (fig. 1.15)
Fig. 1.15. Central agua embalsada
7.1.2.1. CENTRALES DE REGULACIÓN
Son centrales con posibilidad de acopiar volúmenes de agua en
el embalse, que representan períodos, más o menos
prolongados, de aportes de caudales medios anuales.
Al poder embalsar agua durante determinados espacios de
tiempo, noche, mes o año seco, etc., prestan un gran servicio
en situaciones de bajos caudales, regulándose éstos
convenientemente para la producción.
Se adaptan muy bien para cubrir las horas punta de consumo.
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7.1.2.2. CENTRALES DE BOMBEO
Suelen denominarse centrales de acumulación. Se trata de
centrales que acumulan caudales mediante bombeo, con lo que,
su actuación, la podemos comparar a la de “acumuladores” de
energía potencial. (fig.1.16)
Fig. 1.16. Central de bombeo
Para cumplir la misión que da nombre a estas centrales, se
recurre a dos sistemas distintos. Refiriéndonos a un solo grupo,
uno de los procedimientos consiste en dotar al mismo de una
turbina y una bomba, ambas máquinas, con funciones
claramente definidas, independientes entre sí (fig. 1.17)
Fig. 1.17 Central de bombeo con turbina y bomba
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El otro método, se basa en la utilización de una turbina
reversible (fig. 1.18), que, según necesidades, puede
funcionar como turbina o como bomba centrífuga, de manera
que, durante las horas de demanda de energía, los
componentes del grupo se comportan respectivamente:
•
•
Máquina motriz como turbina.
Generador como alternador.
En los períodos de tiempo de muy baja demanda, como son las
horas de media noche, el grupo se transforma en:
•
•
Motor síncrono el generador
Bomba centrífuga la máquina motriz
Fig. 1.18 Central de bombeo con turbina reversible
Para ambos sistemas, turbina y bomba o turbina reversible,
durante las horas nocturnas, y previas las maniobras oportunas
en la central de bombeo, se prepara al grupo para que funcione
como bomba, una vez que, con otro grupo de la misma central
o desde otra hidráulica, térmica o nuclear, se alimenta al
generador, el cual hace las funciones de motor síncrono.
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De esta forma se consigue retornar agua al embalse, bombeada
de la zona de aguas abajo de la instalación. Esta agua hará
funcionar, nuevamente, al grupo como equipo productor de
energía, en los períodos sucesivos de demanda de la misma. En
principio, puede parecer paradójico tal solución, pero, la razón
que justifica tal proceder, radica en la necesidad de mantener
en funcionamiento los alternadores de determinados centros de
producción. Para mejores condiciones técnicas de las líneas
eléctricas, es beneficioso que se suministre energía por éstas,
aunque sean cantidades pequeñas, antes que tenerlas con
valores prácticamente nulos, al objeto de evitar efectos
perjudiciales de capacidad, que en dichas líneas y en los propios
generadores podrían llegar a originarse.
No es, ni mucho menos, una solución de alto rendimiento, pero
se puede admitir como suficientemente rentable, ya que se
compensan las pérdidas de agua, o combustible, que en todo
caso se ocasionan, al tener que estar, necesariamente, en
funcionamiento cierto número de grupos accionados con
turbinas hidráulicas o de vapor, en las horas mencionadas, por
las razones expuestas. En instalaciones de bombeo modernas,
la puesta en servicio se hace de forma inmediata, mediante
equipos de mando y control de avanzada tecnología.
7.1.3.
CENTRALES DE ALTA PRESIÓN
Se encuentran incluidas en este apartado, aquellas centrales cuyo valor de
salto hidráulico es superior a los 200 m (altura meramente orientativa);
siendo relativamente pequeños los caudales desalojados, alrededor de 20
m3/s por máquina.Están ubicadas en zonas de alta montaña, donde
aprovechan el agua de torrentes que suelen desembocar en lagos naturales
(fig. 1.19). Se utilizan, exclusivamente, turbinas Pelton y turbinas Francis,
que reciben el agua a través de conducciones de gran longitud.
Fig. 1.19 Central de alta presión
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7.1.4.
Sistemas Eléctricos de Potencia
CENTRALES DE MEDIA PRESIÓN
Se consideran como tales, las que disponen de saltos hidráulicos
comprendidos entre 200 y 20 m aproximadamente, desaguando caudales de
hasta 200m3/s por cada turbina. Dependen de embalses relativamente
grandes, formados en valles de media montaña. (fig 1.15).
Preferentemente, las turbinas utilizadas son de tipo Francis y Kaplan,
pudiendo tratarse de turbinas Pelton para los saltos de mayor altura, dentro
de los márgenes establecidos.
7.1.5.
CENTRALES DE BAJA PRESIÓN
Se incluyen, en esta denominación, las que, asentadas en valles amplios de
baja montaña, el salto hidráulico es inferior a 20 m (fig. 1.14), estando
alimentada cada máquina por caudales que pueden superar los 300 m3/s.
Para estas alturas y caudales, resulta apropiada la instalación de turbinas
Francis y especialmente, las turbinas Kaplan.
7.2. COMPONENTES DE LAS CENTRALES HIDROELÉCTRICAS
Hacer un listado completo, de todos los elementos que integran una central
hidroeléctrica, sería una tarea excesivamente laboriosa. Por tal motivo, vamos a
exponer, a grandes rasgos, la relación de los componentes fundamentales que
conforman dichas instalaciones, si bien, ya de entrada, la presentamos dividida en dos
grandes conjuntos.
En el primero, constan todo tipo de obras, equipos, etc., cuya misión podemos
resumir diciendo que es la de almacenar y encauzar el agua, en las debidas
condiciones, para conseguir posteriormente una acción mecánica. Este conjunto,
complementa los temas de estudio de la presente información.
El segundo conjunto engloba los edificios, equipos, sistemas, etc., mediante los
cuales, y después de las sucesivas transformaciones de la energía eléctrica. Los
temas derivados de los mismos, constituyen materias de estudio que se tratan,
aisladamente, en Informaciones Técnicas independientes de la actual.Así tenemos:
Conjunto I:
•
•
•
•
•
•
Embalse.
Presa y aliviaderos.
Tomas y depósito de carga.
Canales, túneles y galerías.
Tuberías forzadas.
Chimeneas de equilibrio.
Conjunto II:
•
•
•
•
•
•
•
•
Turbinas hidráulicas.
Alternadores.
Transformadores.
Sistemas eléctricos de media, alta y muy alta tensión.
Sistema eléctrico de baja tensión.
Sistema eléctrico de corriente continua.
Medios auxiliares.
Cuadros de control.
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El primero de los conjuntos establecidos, se suele identificar como Presa –
Embalse. El segundo, constituye la auténtica Central, encontrándose así mismo,
dentro de dicho conjunto, las instalaciones conocidas como posiciones de grupos,
salida de líneas, subestación, etc.De la relación total indicada, no quiere decir que en
una misma central concurran todos y cada uno de los componentes mencionados,
pues si bien es cierto que, algunos de ellos, son imprescindibles, como es el caso de
turbinas y alternadores, otros, sin embargo, pueden intervenir o no, dependiendo
principalmente de las características del asentamiento de la instalación. Así por
ejemplo, en una central de agua fluente, no es normal disponer de un depósito de
carga. Se deduce por lo tanto que, para formar las centrales hidroeléctricas, se puede
realizar una serie de combinaciones de los referidos componentes, de acuerdo con las
características del emplazamiento y de las potencias y rendimientos que pretenden
lograrse.
7.3. CONCEPTOS HIDRÁULICOS
Sin ánimo de pretender realizar una exhaustiva exposición teórica de todos los
términos hidráulicos, hacemos una reseña de aquellos que son utilizados con mayor
frecuencia en el tratamiento de los temas que nos ocupan, a fin de tener un
recordatorio de los mismos, en lo que a definiciones y fórmulas se refiere.
Destacamos los conceptos de:
•
•
•
•
•
•
•
7.3.1.
Nivel.
Cota.
Caudal.
Aforo.
Carga.
Pérdida de carga.
Salto de agua.
NIVEL Y COTA
Por nivel entendemos la horizontalidad constante de la superficie de un
terreno, o la que adquiere la superficie libre de los líquidos. También
interpretamos como tal, la altura o altitud de dichas superficies o de un
punto
cualquiera
respecto de otro u otros
puntos de referencia.
Los continuos cambios
de
horizontalidad,
representan sucesivos
cambios de nivel o
desniveles
entre
superficies. Recibe el
nombre de cota, el
valor de la altura a la
que se encuentra una
superficie
o
punto
respecto del nivel del
mar. (fig. 1.20).
Fig. 1.20 Cota en un lugar determinado
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7.3.2.
Sistemas Eléctricos de Potencia
CAUDAL Y AFORO
Recordemos que caudal, al que llamamos gasto cuando se trata de un
orificio, es la cantidad de líquido expresada en metros cúbicos o en litros,,
que circula a través de cada una conducción abierta o cerrada en la unidad
de tiempo
Fórmula:
Q=Sv
En la que:
Q = caudal en metros cúbicos por segundo (m3/s).Siendo 1 m3 = 1 000
litros.
S = sección en metros cuadrados (m2).
v = velocidad del líquido en m/s, a través de la sección considerada. En
definitiva, el espacio recorrido por la masa líquida a partir de dicha sección,
en la unidad de tiempo.
Se denomina aforo, a la operación mediante la que se mide el valor
de un caudal. Las mediciones se pueden efectuar en función de la sección
del conducto, de la velocidad media del líquido, de la altura de lámina o
calado, de la presiones en determinados puntos, etc.
Según la naturaleza de la conducción, existen distintos procedimientos para
realizar un aforo. El más sencillo, consiste en dividir la capacidad de un
recipiente por el tiempo que tarda en llenarse. Las medidas de gran
complejidad, relacionadas con los caudales que circulan por ríos y canales,
se obtienen por medio de flotadores, cronometrando el tiempo que tardan
en recorrer una distancia prefijada; y también utilizando vertederos de
secciones conocidas. Para la determinación de caudales se emplean aparatos
tales como tubos Venturi y de Pitot, molinetes del modelo Woltmann o
similares, etc., (fig.1.21)
Ll
d P
Fig. 1.21 Aparatos para la medición de caudales
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En la figura 1.22, se representan las disposiciones de molinetes en canales y
ríos, para hallar las velocidades medias de las corrientes, obteniéndose
mediciones de gran precisión en poco tiempo; la colocación se realiza según
planos, transversales a los sentidos de circulación del agua, de los que
previamente se ha calculado sus secciones. Para lograr la máxima fiabilidad
de los datos aportados por los molinetes, éstos han de situarse sobre barras
de gran robustez, siempre que sea factible, a fin de evitar vibraciones o
deformaciones que repercutirían desfavorablemente en los valores
conseguidos.
Fig. 1.22 Disposición de los molinetes en las corrientes de agua.
7.3.3.
SALTO DE AGUA
Denominamos de tal modo, al paso brusco o caída de masas de agua desde
un nivel, más o menos constante, a otro inmediatamente inferior.
Numéricamente se identifica por la diferencia de cota, o de nivel, lo que
llamamos altura de salto o salto simplemente, cuyo valor se da en metros
(fig. 1.23).
Fig. 1.23 Salto de agua (Ejemplo : 684m – 599m = 85m ).
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Cuando el cauce del río tiene fuertes desniveles, se forman cascadas o
cataratas, que representan ejemplos evidentes de saltos naturales; ver
figura 1.20. Para fines industriales, y debido al adecuado control que se
puede ejercer sobre el agua, se recurre a los saltos creados por el hombre.
Un salto se puede dedicar a varias aplicaciones, si bien sólo nos vamos a
interesar por la que se refiere a la producción de energía eléctrica.
Partiendo de la energía potencial del agua almacenada o estancada en el
embalse, en el instante que las masas de líquido saltan o descienden de un
nivel superior a otro inferior, a través de conducciones dispuestas a tal fin,
aquella se transforma en energía cinética que, a su vez, se transforma en
energía mecánica por medio de la turbina. La presencia de dichas
manifestaciones de energía, la cinética y la mecánica, se hace patente por el
trabajo hidráulico obtenido, como resultado de la caída de las masas de
agua recorriendo unos espacios definidos; peso de las masas de agua, en
kg, por altura del salto, en m; el cual se transforma en el trabajo mecánico
conseguido en el eje de la máquina.
Ahora bien técnicamente, es más lógico referirse a potencias suministradas,
así podemos hablar de potencia de un salto o potencia de una turbina,
cuyos valores son prácticamente los mismos si prescindimos de conceptos
tales como pérdidas de carga, rendimientos, etc.
Fórmula: Expresando la potencia del salto en CV, tenemos:
P =
1000 Q H
75
En la que:
P = potencia en CV.
Q = caudal en m3/s.
H = altura del salto en m.
1 000
= cantidad de litros de agua (ó kg) en un m3.
75= proviene de la equivalencia existente entre el CV y el kgm/s,
como unidades de potencia.
Así:
75 kgm/s
1.000 QH kgm/s
1CV 

 de donde
P 
P =
1000 Q H
75
Siendo 1 kW = 1,36 CV, la expresión de la potencia en kW es:
PkW =
1 000 Q H
1,36 x 75
El aprovechamiento de un salto, más que a la velocidad del agua, se debe a
la presión que ésta puede ejercer en el punto de toma, desde donde
desciende hacia la turbina, obteniéndose el trabajo deseado.Se hace
imprescindible completar el presente apartado con dos expresiones
particulares que amplian la idea general. Son, respectivamente, las de salto
bruto y salto útil.
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7.3.4.
Sistemas Eléctricos de Potencia
SALTO BRUTO
Se conoce como salto real o salto total, representándose con la letra H.
En valor numérico equivale a la diferencia entre el nivel de la superficie del
agua embalsada y el nivel, aparentemente uniforme, de la corriente de agua
que se establece una vez que ésta ha recorrido todas las conducciones que
salvan el salto de agua. (fig. 1.24)
Fig. 1.24 Representación del salto bruto H y del salto útil H´.
7.3.5.
SALTO ÚTIL
También denominado salto neto. Lo identificamos con la letra H’.
Corresponde a un valor menor que el del salto bruto, ya que se obtiene
restando de éste todas las pérdidas de carga o altura J que se originan en la
totalidad del recorrido, como muestra la figura 1.24.
Dichas pérdidas se deben a las turbulencias y rozamientos del agua en las
entradas de las tuberías, paredes de todo tipo de conducción, válvulas,
codos, ángulos, cambios de sección y orificios de salida, etc.
7.3.6.
EMBALSE
La idea de embalse está suficientemente comprendida, no obstante vamos a
hacer las siguientes puntualizaciones.
Un embalse, resulta de almacenar todas las aguas que afluyen del territorio
sobre el que está enclavado, identificado como cuenca vertiente, con el fin
de poderlas encauzar para una adecuada utilización según las necesidades
exigidas por la instalación.
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Conviene recordar que se llama cuenca de un río, a la superficie
receptora de las aguas caídas que lo alimentan; bien por el libre
discurrir de éstas sobre el suelo, proceso de escorrentía inmediata, o por
infiltraciones. Dicha superficie se mide en kilómetros cuadrados (km2),
referidos a la proyección horizontal de la misma.
Las dimensiones de un embalse, dependen de los caudales aportados por el
río embalsado y sus afluentes, de los períodos de avenidas o estiajes y,
fundamentalmente, de las características de producción de la central para la
cual se forma.
Una explotación se considera como de almacenaje, reserva o regulación si
está provista de un gran embalse, siendo idónea para suministrar la carga de
punta. Todo lo contrario sucede con las explotaciones de agua corriente en
las que se hace pasar constantemente, tal y como se presenta, todo el
caudal de agua del río a través de las turbinas, por lo que se utilizan para
satisfacer la carga de base, no disponiéndose, en estas instalaciones, de
reserva de energía.
Un embalse de amplia cabida, que recoge el agua durante períodos
pluviométricos favorables, puede cubrir las demandas de energía en épocas
deficitarias de lluvias, dentro de ciertos límites. Del concepto de capacidad
de un embalse (fig. 1.25), distinguimos:
Fig. 1.25 Capacidad de un embalse.
•
Capacidad útil
Se refiere a la capacidad de agua embalsada por encima de la entrada de
agua hacia la central.
En definitiva, se trata del volumen de agua disponible para cubrir la
demanda de la instalación para la que se destina el embalse.
•
Capacidad total
Totalidad del volumen de agua acumulada, es decir, la útil más la no
utilizable.
La capacidad de un embalse, se expresa en:
• Metros cúbicos (m3).
• Hectómetros cúbicos (hm3).
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En todo embalse existen pérdidas de agua, debidas a causas naturales,
como son la evaporación producida en la superficie y las filtraciones
originadas a través del terreno.
Durante el período de llenado de un embalse, ha de llevarse acabo una
rigurosa inspección, a fin de comprobar las deformaciones progresivas de la
presa, provocadas en cada estado de carga por la fuerza del agua. Se
tienen que dar los márgenes de tiempo necesarios para que la presa se
adapte paulatinamente, de modo que la deformación sea lenta.Para la
conservación de los embalses, ha de realizarse la vigilancia oportuna con la
finalidad de:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Sacar y eliminar los cuerpos extraños, principalmente los
acumulados en zonas de captación de agua hacia las turbinas.
Comprobar la existencia de posibles arrastres o desprendimientos
de terreno en las laderas, determinando si son debidos a la acción
de las lluvias o del agua del propio embalse. La repoblación de las
zonas afectadas, contrarresta tales efectos.
Controlar los acarreos depositados en el fondo, retirándolos si se
considera oportuno, al objeto de evitar el almacenamiento de
barro, lodo, cieno, etc., fenómeno conocido como atarquinado,
especialmente perjudicial en los lugares donde se toma el agua
para las turbinas y en aquellos otros donde están situados los
desagues del embalse.
Detectar la salida, en la superficie del agua, de burbujas de gas
metano, también llamado gas de los pantanos. Esto se observa
cuando se produce, bruscamente, un descenso considerable del
nivel del agua, lo cual provoca una destrucción masiva de la fauna
existente en el embalse, con los riesgos ecológicos que ello
comporta.
A lo largo de un río y de sus afluentes, se pueden crear tantos embalses
como sea conveniente, para obtener el máximo rendimiento de las aguas
que proporciona la cuenca en la que están radicadas tales fuentes de
energía hidráulica.
Ello conduce al aprovechamiento de una zona
determinada, identificándose como aprovechamiento hidroeléctrico si el
fin, para el que se destinan las aguas embalsadas, es el de producción de
energía eléctrica.
7.3.7.
PRESAS
Llama la atención, el modo indiscriminado con que, las personas no
familiarizadas con las instalaciones hidráulicas, utilizan las expresiones
“salto”, “presa”, “embalse”, “central”, incidiendo, en ocasiones, en falsas
interpretaciones, confundiendo entre sí la idea que pertenece a cada
término. Indudablemente que, corresponde al técnico, el correcto empleo y
entendimiento de los mismos.
Por todos es sabido que la existencia de las corrientes de agua, a las que
llamamos ríos, arroyos, etc., se deben al movimiento continuo y descendente
de grandes masas de agua, como consecuencia de la caída de éstas a través
de los sucesivos desniveles del terreno, desde el punto de nacimiento hasta
el de desembocadura de dichas corrientes, lo que constituye el cauce de las
mismas.
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Hemos mencionado las centrales que funcionan con caudales fluentes, en las
que se aprovechan, instantáneamente, las corrientes naturales de los ríos,
previa creación de pequeños saltos; y aquellas otras para las que el agua es
embalsada con independencia de su inmediata utilización o no.
La retención del agua tiene como objetivo primordial crear un salto de agua,
que se logra mediante la construcción, sobre el cauce de un río y
transversalmente a éste, de una presa, la cual, además, puede emplearse
para almacenar el agua, dando origen a un embalse o lago artificial,
conocido también como pantano artificial.
Por lo tanto, presa es toda estructura que actúa como barrera,
interrumpiendo la libre circulación del agua a través de sus cauces normales,
dependiendo su configuración de la orografía del lugar de asentamiento.
Se construyen para conseguir una doble finalidad:
ƒ
ƒ
Obtener una elevación del nivel del agua, formando un desnivel en
el cauce de un río, que hemos denominado salto. Cuanto más
elevada sea la altura de éste, mayores podrán ser las potencias
obtenidas en la central alimentada por el mismo.
Crear un depósito, de grandes dimensiones, para almacenar y
regular la utilización del agua, constituyendo en definitiva el
embalse propiamente dicho, cuya capacidad de volumen de agua
embalsada está en función de las alturas de agua alcanzadas.
Una de las principales aplicaciones, para la que se destinan las presas, es la
producción de energía eléctrica, si bien se utilizan en otras funciones vitales,
como son el abastecimiento de agua a poblaciones, riegos, regulación y
distribución de caudales en determinadas cuencas, etc.
8. SISTEMA DE TRANSMISIÓN
Objetivo: Interconectar los centros de generación con los centros de consumo.
Constitución: está conformado por las líneas de alta tensión (A.T.) que permiten
transportar grandes volúmenes de energía.
Esto en el mismo sistema de potencia o entre dos o más sistemas de potencia (empleando
sistemas de interconexión).
Estructura: tiende a obtener una estructura de lazo cerrado (mallada).
Nota: La energía puede ser enviada, generalmente en cualquier dirección deseada, sobre
los varios enlaces del sistema de transmisión, de modo que corresponda a la mejor
operación técnica-económica.
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9. SISTEMA DE DISTRIBUCIÓN
Objetivo: permitir integrar a todos los usuarios al sistema de potencia cumpliendo con el
objetivo final de la prestación de servicio.
Constitución: está conformado básicamente por redes de media tensión (M.T.).
Estructura: radial.
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10. OBJETIVO DEL SISTEMA DE POTENCIA
Generar energía eléctrica en cantidades suficientes, en las centrales más adecuadas,
transmitirla en grandes cantidades a los centros de carga y luego distribuirla a los usuarios,
en la forma y calidad apropiada; al mínimo costo posible, tanto ecológico como económico.
En otras palabras los requisitos que se deben de cumplir son:
•
•
•
•
•
Suministrar energía eléctrica a todo cliente que lo solicite.
Ser capaz de adaptarse a la demanda de los usuarios que es continuamente variable y
no controlable.
Suministrar energía eléctrica con una calidad de servicio adecuada que se mida en
términos de:
• Tensión y frecuencia constante.
• Continuidad del servicio.
Suministrar energía eléctrica a mínimo costo tanto económico como ecológico.
Ofrecer garantía a la seguridad de las personas, tanto a las que laboran con el sistema
como al público en general.
11. PRUEBA DE AUTOCOMPROBACIÓN
1. Mencione las partes fundamentales de un sistema de potencia
2. Las turbinas pelton se caracterizan por emplearse en:
a. Saltos pequeños y caudales grandes
b. Saltos grandes y caudales pequeños
c. Saltos grandes y caudales grandes
d. Ninguno a los anteriores
3. Estimar la potencia en KW a obtener en una central hidroeléctrica de las siguientes
características:
Q = 20 m3/s
Hu = 300 m
4. ¿Por qué razón las líneas de transmisión son en alta tensión
5. Establezca la diferencia entre los sistemas de transmisión y los sistemas de distribución
12. RESPUESTAS A LA PRUEBA DE AUTOCOMPROBACIÓN
1.
2.
3.
4.
Generación, Transformación y Transmisión.
(b)
58,8 MW
Para reducir las pérdidas de efecto Joule
5. Los sistemas de transmisión manejan mayor volumen de potencia, y su
configuración es en anillo, mientras que los sistemas de distribución manejan
menores volúmenes de energía y son de característica radial. Los primeros
transmiten en tensiones altas, mientras que los segundos distribuyen en
tensiones menores.
FIN DE LA UNIDAD
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